一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置

技术领域

本发明涉及混凝土结构健康监测领域，特别涉及一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置。

背景技术

在当今社会，混凝土是土木工程建设必不可少的材料，伴随混凝土应用的广泛性，混凝土结构健康备受人民关注；混凝土材料的不可逆性也使得专家与学者对混凝土结构的设计安全性格外重视，但在大型混凝土结构中，结构的复杂性与周期性负荷会对混凝土结构应力集中区产生破坏，混凝土结构产生裂纹等状况，极大的影响了结构的安全性。

混凝土一般可以分为荷载裂缝和变形裂缝。荷载裂缝又可以分为外荷载裂缝和荷载次应力裂缝；变形裂缝也可以分为材料自身变形裂缝和结构变形裂缝。在荷载作用下，结构的强度、刚度或稳定性不够而出现的裂缝称为荷载裂缝。这类裂缝主要是由于混凝土早期抗拉强度和弹性模量低，在外部荷载的作用下导致结构变形，从而出现裂缝。由于温度、收缩、不均匀沉降等所引起的裂缝称为变形裂缝。

现阶段的混凝土健康结构监测主要以视觉查看的方式进行监测，即观察混凝土表面状态确认混凝土的状态；对大型结构而言，大多是组合式混凝土结构施工，内部的混凝土构件多，力学结构复杂，内部结构损伤在外部没有明显伤痕；现有监测方法不能直观反映混凝土结构健康状态，对混凝土内部结构健康状态监测十分必要。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置，有效规避现有监测方法的弊端，结合最新光纤光栅传感技术，在混凝土浇筑初期进行监测点的提前布置，从混凝土结构内部对结构健康进行监测，同时不影响结构的强度及结构的服役状态；装置使用光信号及无线网络进行数据的传输，具有极高的精准度，为结构健康安全提供数据支撑及保障。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置，包括FRP光纤光栅应变计、FRP光纤光栅解调仪、通信传输模块和智能监测云平台，其中：

所述FRP光纤光栅应变计在混凝土浇筑之前预埋在需要监测的结构薄弱部位，一端通过光纤铠装线引出至混凝土结构外侧，另一端通过光纤铠装线与所述FRP光纤光栅解调仪连接，用于将混凝土结构内部的测量信号传送至所述FRP光纤光栅解调仪；

所述FRP光纤光栅解调仪与所述通信传输模块连接，用于对所述FRP光纤光栅应变计的测量信号进行解调从而得出混凝土结构内部的应变数据；

所述通信传输模块通过导线连接在所述FRP光纤光栅解调仪上或内置于所述FRP光纤光栅解调仪中，用于将混凝土结构内部的应变数据上传至所述智能监测云平台；

所述智能监测云平台通过所述通信传输模块与所述FRP光纤光栅解调仪通信连接，用于：

通过所述通信传输模块远程控制所述FRP光纤光栅解调仪的工作状态；

接收所述通信传输模块上传的实时测量数据并进行存储；

结合混凝土结构等级的初始选择以及混凝土结构应力集中区的实时状态通过算法转换与分析进而实时显示混凝土内部结构应变值及相应所处的安全等级；

用户通过PC或APP远程登录所述智能监测云平台访问云数据进而实时掌握混凝土结构内部的安全健康状态。

进一步的，还包括预制混凝土块，所述FRP光纤光栅应变计埋入与结构配合比相同的混凝土骨料中，根据混凝土结构特点制作模型，并将模型加工成预制混凝土块，用于在正式结构施工时将所述预制混凝土块安装在指定位置并将导线引出完成所述FRP光纤光栅应变计的预埋。

进一步的，所述智能监测云平台采用三维可视化模块设计，所述三维可视化监测模块包括精细化3D模型展示单元和实景三维展示单元，分别用于实现监测数据、测点的相互关联与交互从而实现混凝土结构在运营过程中监测信息的三维动态可视化查询与管理。

进一步的，所述FRP光纤光栅解调仪包括解调仪网络接口、解调仪电源接口、解调仪触摸式显示屏、解调仪光纤光栅接口和可充电锂电池，其中：

所述解调仪网络接口设置于所述FRP光纤光栅解调仪侧面，通过网线连接所述通信传输模块；

所述解调仪电源接口设置于所述FRP光纤光栅解调仪侧面，通过导线连接外部电源为内置于所述FRP光纤光栅解调仪内部的可充电锂电池充电；

所述解调仪触摸式显示屏设置于所述FRP光纤光栅解调仪的上表面，用于直观显示混凝土内部结构状态，同时可进行计算公式的编辑进而对不同强度等级的混凝土结构进行选择对应的计算公式从而保证计算的高精度；

所述解调仪光纤光栅接口设置于所述FRP光纤光栅解调仪侧面，通过光纤铠装线连接所述FRP光纤光栅应变计。

进一步的，所述外部电源为太阳能发电模块，所述太阳能发电模块与FRP光纤光栅解调仪之间以电源导线连接，用于在户外阳光充裕的条件下为所述FRP光纤光栅解调仪的可充电锂电池进行供电。

进一步的，所述外部电源为风力发电模块，所述风力发电模块与FRP光纤光栅解调仪之间以电源导线连接，用于在隧道这种阳光照射不到的地方为所述FRP光纤光栅解调仪提供清洁能源。

进一步的，所述FRP光纤光栅应变计包括安装于混凝土结构内部光纤上的FRP光纤光栅传感点和FRP光纤光栅受力圆盘，所述FRP光纤光栅传感点受到挤压或者所述FRP光纤光栅受力圆盘在受力状态下，所述解调仪触摸式显示屏上实时显示相应的应变值。

优选的，所述FRP光纤光栅应变计可将多个FRP光纤光栅传感点固定在一个FRP光纤光栅应变计中，用于大型混凝土结构中；或，可将多个所述FRP光纤光栅应变计进行串联，以一根导线引出至混凝土结构外部。

优选的，所述通信传输模块根据工程区域的信号基站进行相应的更新，在偏远地区采用3G信号进行网络传输，在高度发达地区采用4G/5G信号进行网络传输。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置，在混凝土浇筑前，将FRP光纤光栅应变计预埋入结构薄弱部位，FRP光纤光栅应变计可根据混凝土结构进行定制设计，通过光纤铠装线将信号传输至FRP光纤光栅解调仪，并由通信传输装置将数据上传至智能监测云平台，通过平台系统的运算，对混凝土健康状态进行健康评估，实现远程控制及智能监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置的结构示意图；

图2是本发明中FRP光纤光栅应变计的结构示意图；

图3是本发明中FRP光纤光栅解调仪的结构示意图；

图4是本发明中FRP光纤光栅应变计与混凝土结构的结合体放大图。

【主要符号说明】

1-FRP光纤光栅应变计；

2-FRP光纤光栅解调仪；

3-通信传输模块；

4-太阳能发电模块；

5-风力发电模块；

6-预制混凝土块；

7-FRP光纤光栅传感点；

8-FRP光纤光栅受力圆盘；

9-解调仪网络接口；

10-解调仪电源接口；

11-解调仪触摸式显示屏；

12-解调仪光纤光栅接口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，本实施例公开了一种基于FRP光纤光栅的混凝土内部结构状态监测装置，包括FRP光纤光栅应变计1、FRP光纤光栅解调仪2、通信传输模块3和智能监测云平台(未图示)，其中：

所述FRP光纤光栅应变计1在混凝土浇筑之前预埋在需要监测的结构薄弱部位，一端通过光纤铠装线引出至混凝土结构外侧，另一端通过光纤铠装线与所述FRP光纤光栅解调仪2连接，用于将混凝土结构内部的测量信号传送至所述FRP光纤光栅解调仪2。本实施例中，所述FRP光纤光栅应变计1原理为光纤光栅利用光纤材料的光敏性质，用特定波长的激光以特定的方式照射光纤，导致光纤内部的折射率沿轴向发生永久性的变化，形成周期性或者非周期性的空间相位分布，从而形成光栅结构，其实质是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜，并能精确控制谐振波长。通过对FRP光纤光栅材料的控制及谐振波长的转化计算，得到传感器对应的应变量。所述FRP光纤光栅应变计1为光纤传感器波长和功率光谱数据采集、显示、存储于一体的数据采集装置，具有高精度、高分辨率，适合范围广等特点。实际操作中，在大型混凝土浇筑时，应避免对所述FRP光纤光栅应变计1进行直接的下落冲击，应浇筑至周围并进行振捣。

所述FRP光纤光栅解调仪2与所述通信传输模块3连接，用于对所述FRP光纤光栅应变计1的测量信号进行解调从而得出混凝土结构内部的应变数据。本实施例中，所述FRP光纤光栅解调仪2对于光纤光栅应变计的测量信号进行解调，其工作原理是对光纤光栅不同的中心波长返回值进行读取、变换，进而得到外界信息的变化量。传感光纤中串有多个不同反射中心波长的FRP传感器，不同反射中心波长的FRP传感器因布拉格条件的作用，满足其条件的波长被反射，不满足的波长的光透射。此时，外界的参量就被调制到反射波长中，经由耦合器进入所述FRP光纤光栅解调仪2中进行解调。

所述通信传输模块3通过导线连接在所述FRP光纤光栅解调仪2上或内置于所述FRP光纤光栅解调仪2中，可根据工程实际需要进行选择，用于通过内置SIM卡进行网络信号传输将混凝土结构内部的应变数据上传至所述智能监测云平台；

所述智能监测云平台是基于物联网的云平台，主要集成了终端设备数据采集、传输、存储、分析、安全评定及预警、人工巡检、报告等功能，通过所述通信传输模块3与所述FRP光纤光栅解调仪2通信连接，用于：

通过所述通信传输模块3远程控制所述FRP光纤光栅解调仪2的工作状态，可根据工程情况对所述FRP光纤光栅解调仪2进行监测、待机、关机、重启等指令输入。本实施例例中，对所述FRP光纤光栅解调仪2的工作状态可设定为待机、采集、定时采集、关机、定时关机等多种工作状态，起到节省能源，延长解调仪特殊环境下的工作时常的作用。

接收所述通信传输模块3上传的实时测量数据并进行存储；

结合混凝土结构等级的初始选择以及混凝土结构应力集中区的实时状态通过算法转换与分析进而实时显示混凝土内部结构应变值及相应所处的安全等级。具体的，所述智能监测云平台安全等级划分标准依据初始混凝土强度等级进行划分，以混凝土强度等级对应的弹性、塑性标准值进行计算，以实际值参照标准值。以混凝土破坏时会产生应变的突变性回弹、实际测量值对应开裂最大值等多种方式结合的计算方式书写分析算法，云平台对实际数据进行分析，得出混凝土内部安全健康状态。

对混凝土结构的监测信息进行实时、分级、多方式预警和监测报告信息发布，为结构安全运营和管养维护提供科学的数据依据；

用户通过PC或APP远程登录所述智能监测云平台访问云数据进而实时掌握混凝土结构内部的安全健康状态。本实施例中，在所述智能监测云平台中输入实际埋入所述FRP光纤光栅应变计1的混凝土配合比，所述智能监测云平台自动开始实时监测。在监测过程中，用户可通过所述智能监测云平台对监控装置的状态进行更改，如采集数据的间隔时常，采集装置的采集或待机状态等。在混凝土结构达到预警值时，所述智能监测云平台会自动报警，并短信通知注册用户的手机，以便于采取相应的应急处理措施。

进一步的，所述监测装置还包括预制混凝土块6，在不可改变施工工艺流程的情况下，所述FRP光纤光栅应变计1埋入与结构配合比相同的混凝土骨料中，根据混凝土结构特点制作模型，并将模型加工成易放置、易安装的预制混凝土块6，用于在正式结构施工时将所述预制混凝土块6安装在指定位置并将导线引出完成所述FRP光纤光栅应变计1的预埋。

本实施例中，所述FRP光纤光栅应变计1的大小可根据混凝土结构的大小及监测范围进行定制加工，可满足不同结构尺寸的混凝土结构监测；同时根据混凝土强度等级，可加工相应量程的应变计；所述FRP光纤光栅应变计1设计时具有防水保护，可直接埋入混凝土结构中。

优选的，所述智能监测云平台采用三维可视化模块设计，所述三维可视化监测模块包括精细化3D模型展示单元和实景三维展示单元，分别用于实现监测数据、测点的相互关联与交互从而实现混凝土结构在运营过程中监测信息的三维动态可视化查询与管理。

参考图3，所述FRP光纤光栅解调仪2包括解调仪网络接口9、解调仪电源接口10、解调仪触摸式显示屏11、解调仪光纤光栅接口12和可充电锂电池(未图示)，其中：

所述解调仪网络接口9设置于所述FRP光纤光栅解调仪2侧面，通过网线连接所述通信传输模块3；

所述解调仪电源接口10设置于所述FRP光纤光栅解调仪2侧面，通过导线连接外部电源为内置于所述FRP光纤光栅解调仪2内部的可充电锂电池充电；

所述解调仪触摸式显示屏11设置于所述FRP光纤光栅解调仪2的上表面，用于直观显示混凝土内部结构状态，同时可进行计算公式的编辑进而对不同强度等级的混凝土结构进行选择对应的计算公式从而保证计算的高精度；

所述解调仪光纤光栅接口12设置于所述FRP光纤光栅解调仪2侧面，通过光纤铠装线连接所述FRP光纤光栅应变计1。

一实施例中，所述外部电源为太阳能发电模块4，所述太阳能发电模块4与FRP光纤光栅解调仪2之间以电源导线连接，用于在户外阳光充裕的条件下安装太阳能发电板为所述FRP光纤光栅解调仪2的可充电锂电池进行供电。

另一实施例中，所述外部电源为风力发电模块5，所述风力发电模块5与FRP光纤光栅解调仪2之间以电源导线连接，用于在隧道这种等阳光照射不到的地方安装小型风力发电机为所述FRP光纤光栅解调仪2提供清洁能源。

参考图2，所述FRP光纤光栅应变计1包括安装于混凝土结构内部光纤上的FRP光纤光栅传感点7和FRP光纤光栅受力圆盘8，所述FRP光纤光栅传感点7受到挤压或者所述FRP光纤光栅受力圆盘8在受力状态下，所述解调仪触摸式显示屏11上实时显示相应的应变值。

优选的，所述FRP光纤光栅应变计1可将多个FRP光纤光栅传感点7固定在一个FRP光纤光栅应变计1中，用于大型混凝土结构中；或，可将多个所述FRP光纤光栅应变计1进行串联，即首尾相接，以一根导线引出至混凝土结构外部。

优选的，所述通信传输模块3根据工程区域的信号基站进行相应的更新，在偏远地区采用3G信号进行网络传输，在高度发达地区采用4G/5G信号进行网络传输。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。